§ 11. Виды теплообмена

Определения и обозначения

Теплообмен — передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Он продолжается, пока температуры тел не станут одинаковыми. Это понятие нужно, чтобы описывать нагревание и охлаждение предметов.

Теплопроводность — перенос энергии при непосредственном контакте частиц без перемещения вещества. Энергия передаётся от более быстрых частиц к соседним. Так объясняется нагрев металлического стержня от одного конца к другому.

Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа при перемещении нагретых и холодных слоёв. Вместе с энергией перемещаются сами слои вещества. Благодаря конвекции прогреваются вода в кастрюле и воздух в комнате.

Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами, возможная в том числе в вакууме. Для такого переноса не нужны соприкасающиеся частицы или воздух. Поэтому Земля получает энергию от Солнца через космическое пространство.

Как это устроено

Теплообмен самопроизвольно идёт от более нагретого тела к менее нагретому, потому что частицы горячего тела в среднем движутся быстрее. При столкновениях они передают часть энергии частицам холодного тела. Постепенно разность температур уменьшается, а при тепловом равновесии средняя передача энергии в одном направлении прекращается.

При теплопроводности частицы вещества не улетают от горячего участка к холодному. Они колеблются около своих положений и сталкиваются с соседями, передавая им энергию. Поэтому в металлической ложке тепло распространяется по веществу, хотя сама ложка не течёт и не движется потоком.

Конвекция возникает в жидкостях и газах, потому что их слои могут свободно перемещаться. Нагретый слой расширяется, его плотность уменьшается, и выталкивающая сила поднимает его вверх. Холодный слой плотнее, поэтому опускается и занимает освободившееся место, создавая круговое движение.

Естественная конвекция появляется сама из-за разности плотностей, как в воздухе над батареей или в воде при нагревании. Вынужденную конвекцию создают вентилятор, насос или перемешивание ложкой. В отоплении тёплый воздух поднимается от радиатора, распространяется по комнате, остывает и опускается, а при кипении воды горячие слои движутся вверх, холодные — вниз.

Тепловое излучение переносится электромагнитными волнами, которым не нужна материальная среда. Поэтому оно проходит через вакуум и достигает Земли от Солнца. Сильнее излучают и поглощают энергию обычно тёмные матовые поверхности, а светлые и блестящие поверхности больше отражают её.

Сравнение видов теплообмена

В таблице сначала определите, требуется ли контакт тел, движение вещества или электромагнитные волны. Затем сопоставьте среду и механизм переноса с конкретным примером. Один процесс может сопровождаться другими, поэтому в сложной ситуации ищите основной способ передачи энергии.

Разбор задач

Задача 1

Определим вид теплообмена при нагревании металлической ложки в горячем чае, движении воды в кастрюле при кипении и получении энергии от Солнца. Нужно обратить внимание на контакт, перемещение вещества и наличие электромагнитных волн. Эти признаки позволяют не смешивать три механизма.

1. Ложка соприкасается с горячим чаем, а энергия распространяется по металлу от погружённой части к ручке.
2. В кипящей воде горячие и холодные слои перемещаются, поэтому энергия переносится потоками жидкости.
3. От Солнца энергия идёт через космический вакуум электромагнитными волнами.

Ответ: в ложке происходит теплопроводность, в воде — конвекция, от Солнца энергия поступает тепловым излучением.

Задача 2

Объясним, почему вода в кастрюле прогревается почти по всему объёму, а металлическая ручка нагревается от места соединения с корпусом. В каждом случае нужно определить, движется ли само вещество. Разные свойства воды и металла приводят к разным видам теплообмена.

1. Вода у дна получает энергию, расширяется и становится менее плотной.
2. Нагретая вода поднимается, а более холодная опускается, поэтому возникают конвекционные потоки.
3. В металле частицы не перемещаются большими потоками, но передают энергию соседям, то есть действует теплопроводность.

Ответ: вода прогревается главным образом конвекцией, а ручка кастрюли — теплопроводностью. В действительности над водой ещё может происходить теплообмен с воздухом.

Задача 3

Предложим способы уменьшить потери тепла в доме: утеплить стены, установить стеклопакеты, использовать радиатор и отражающий экран. Для каждого способа найдём, какой перенос энергии ограничивается. Радиатор не столько уменьшает теплообмен, сколько направляет его на нагрев помещения, поэтому это нужно учитывать.

1. Утепление стен материалами с плохой теплопроводностью уменьшает передачу энергии через стены.
2. Стеклопакет создаёт воздушные или газовые прослойки, которые ослабляют теплопроводность и движение воздуха; несколько стёкол также уменьшают излучение.
3. Радиатор передаёт тепло комнате конвекцией и излучением, а отражающий экран за ним возвращает часть излучения в помещение.

Ответ: утепление и стеклопакеты сокращают потери, а радиатор и экран помогают эффективнее использовать тепло. На практике нужно уменьшать сразу несколько видов теплообмена.

Типичные ошибки

Называть любое перемещение тепла конвекцией — ошибка, потому что конвекция возможна только при движении жидкости или газа. Её допускают, когда не различают перенос энергии и движение среды. Проверьте себя: если вещество не течёт и не перемещается потоками, ищите теплопроводность или излучение.

Считать, что при теплопроводности перемещается вещество, неверно: частицы лишь передают энергию соседним частицам. Такое представление возникает из-за образного выражения «тепло движется». Спросите себя, перемещается ли весь слой вещества, а не отдельные частицы, и выберите ответ.

Утверждать, что тепловое излучение невозможно без воздуха, тоже неправильно. Воздух не нужен электромагнитным волнам, поэтому излучение проходит через вакуум. Примером проверки служит энергия Солнца, достигающая Земли через космос.

Нельзя путать направление теплообмена с направлением движения вещества при конвекции. Поток воздуха может подниматься, а энергия в системе распространяться от горячего участка к холодному. Для проверки отдельно назовите направление переноса энергии и направление движения слоя.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что такое внутренняя энергия, температура и тепловое равновесие. Температура связана со средней энергией движения частиц. Это помогает понять, почему энергия переходит от горячего тела к холодному.

Дальше знания о теплообмене понадобятся при изучении количества теплоты и тепловых двигателей. Они объясняют работу отопления, теплоизоляции и многие природные явления. Без этих представлений трудно описать превращения энергии в реальных устройствах.

Практически тема связана с термосом, холодильником и батареей отопления. В каждом устройстве стараются либо уменьшить нежелательный теплообмен, либо усилить полезный. Анализ трёх механизмов помогает понять, почему работают разные способы сохранения тепла.

Что запомнить

• Теплообмен идёт от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность происходит без переноса вещества.
• Конвекция возможна только в жидкостях и газах.
• При конвекции энергия переносится движущимися потоками вещества.
• Тепловое излучение распространяется в вакууме.
• В реальных ситуациях несколько видов теплообмена часто происходят одновременно.